Was ist eine SPS-Steuerung?

Eine speicherprogrammierbare Steuerung, allgemein bekannt als SPS (vom Englischen Programmable Logic Controller), ist im Grunde das Herz der modernen Industrieautomatisierung. Diese mikroprozessorgesteuerten Systeme, die oft herkömmliche, veraltete Schütz-Relais-Steuerungen ersetzen, haben die Aufgabe, Maschinen und ganze Produktionslinien zu steuern. Ein programmierter Algorithmus ermöglicht es der Steuerung, Signale von Sensoren, Tastern und Prozessgeräten zyklisch zu verarbeiten und Befehle für Aktoren, wie zum Beispiel Motoren, Zylinder oder Prozessgeräte, zu generieren.

Aufbau einer SPS-Steuerung

Stellen Sie sich eine typische SPS-Steuerung wie einen spezialisierten Computer vor, der für den Einsatz unter schwierigen industriellen Bedingungen konzipiert wurde. Ihr Aufbau ist darauf ausgelegt, maximale Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Sie besteht aus mehreren Schlüsselmodulen, die eng zusammenarbeiten, um die vorgegebenen Steuerungsfunktionen zu realisieren. Um mehr über die technischen Details der einzelnen Komponenten zu erfahren, lesen Sie unseren detaillierten Beitrag darüber, woraus eine SPS-Steuerung besteht.

Netzteilmodul

Das Netzteilmodul ist das Fundament, das alle anderen Komponenten der Steuerung mit einer stabilen Spannung versorgt. Seine Aufgabe ist der Schutz vor Überspannungen und Störungen, was für die Betriebskontinuität des gesamten Systems absolut entscheidend ist.

Prozessor (CPU)

Die zentrale Recheneinheit, also der Prozessor (CPU), ist natürlich das „Gehirn“ der SPS-Steuerung. Er führt das Anwenderprogramm aus, verarbeitet die eingehenden Eingangsdaten und erzeugt auf dieser Grundlage die Ausgangssignale. Der Mikroprozessor ist für die Ausführung der Steuerungsalgorithmen und das Treffen von Entscheidungen gemäß den programmierten Anweisungen verantwortlich. Die Steuerung führt alle für den Programmablauf erforderlichen arithmetischen und logischen Operationen aus.

Computerspeicher

Der Computerspeicher ist für die Speicherung des Betriebssystems, Ihres Programms sowie der Arbeitsdaten unerlässlich. Wir haben hier den ROM-Speicher, in dem sich das Betriebssystem befindet, sowie den RAM-Speicher, also den Arbeitsspeicher, in dem Programme und Daten während des Betriebs der Steuerung gespeichert werden. Es ist wissenswert, dass gerade der RAM-Speicher zur Speicherung der von der Steuerung ausgeführten Programme dient.

Eingangs- und Ausgangsmodule

Eingangs- und Ausgangsmodule sind im Grunde die Schnittstelle, über die die SPS mit der Außenwelt kommuniziert. Eingangsmodule empfangen Signale von Sensoren und anderen Geräten und informieren die Steuerung über den aktuellen Prozesszustand. Die Ausgangsmodule hingegen setzen die Befehle der Steuerung um, indem sie Aktoren wie Motoren oder Ventile steuern. Diese Module können digital oder analog sein. Wenn es sich um analoge Signale handelt, ist ein Analog-Digital-Wandler (ADC) erforderlich, um diese in eine digitale Form umzuwandeln, die für den Prozessor verständlich ist.

Funktionsprinzip einer SPS-Steuerung

Das Funktionsprinzip einer SPS-Steuerung basiert auf einem sich wiederholenden Arbeitszyklus. Dieser gewährleistet eine kontinuierliche Überwachung des Prozesses und die Reaktion auf sich ändernde Bedingungen. Dieser Zyklus ist grundlegend für das Verständnis, wie eine SPS in der Praxis funktioniert. Der Prozessor führt den programmierten Algorithmus aus, analysiert die Eingangsdaten und erzeugt entsprechende Ausgangssignale.

Einlesen der Eingänge und des Speicherzustands

Zu Beginn jedes Zyklus liest die Steuerung die aktuellen Signalzustände von allen Eingangsmodulen ein. Gleichzeitig ruft sie die erforderlichen Daten aus dem Arbeitsspeicher ab. Auf diese Weise sammelt sie Informationen über den Prozesszustand, um die richtigen Entscheidungen treffen zu können.

Ausführung des Anwenderprogramms

Anschließend beginnt die Steuerung mit der Ausführung des von Ihnen vorbereiteten Programms. Der Prozessor verarbeitet die Anweisungen Schritt für Schritt gemäß der Logik des im Speicher hinterlegten Algorithmus. Alle arithmetischen und logischen Operationen werden ausgeführt, um zu bestimmen, wie die zukünftigen Ausgangszustände aussehen sollen.

Schreiben der Ausgänge und Kommunikation

In der letzten Phase des Zyklus aktualisiert die Steuerung die Zustände der Ausgangsmodule auf Basis der durchgeführten Berechnungen. Gleichzeitig kann sie über die verfügbaren Kommunikationsschnittstellen wie Ethernet oder RS-232 eine Verbindung zu anderen Systemen, beispielsweise Industriecomputern, herstellen und benötigte Informationen austauschen.

Arten von SPS-Steuerungen

Auf dem Markt sind viele Arten von SPS-Steuerungen erhältlich, die auf unterschiedliche Weise klassifiziert werden können – nach Aufbau, Verwendungszweck oder Leistungsfähigkeit. Die Wahl des richtigen Steuerungstyps ist absolut entscheidend für die Effizienz des gesamten Automatisierungssystems. Schauen wir uns die grundlegenden Kategorien an.

Kompaktsteuerungen

Kompaktsteuerungen sind integrierte Geräte. Das bedeutet, dass sich das Netzteil, der Prozessor sowie die Eingangs- und Ausgangsmodule alle in einem gemeinsamen Gehäuse befinden. Sie zeichnen sich durch eine einfache Installation und Konfiguration sowie durch geringere Kosten aus. Sie eignen sich hervorragend für kleinere Anwendungen und einfachere Steuerungsaufgaben.

Modulare Steuerungen

Modulare Steuerungen bieten uns eine deutlich größere Flexibilität. Sie bestehen aus einem Chassis bzw. einer Montageschiene, an die Sie verschiedene Module anschließen können: Prozessor, Stromversorgung, Eingangsmodule (digital und analog), Ausgangsmodule sowie Kommunikationsmodule. Ein solcher Aufbau ermöglicht die Erstellung komplexer Systeme und die präzise Anpassung der Steuerung an die spezifischen Anforderungen der Anwendung. Mehr noch: Moderne SPS-Steuerungen ermöglichen eine mehrfache Erweiterung, indem einfach weitere Module hinzugefügt werden.

Spezialsteuerungen

Neben den Standardsteuerungen finden wir auch spezialisierte Modelle. Sicherheitssteuerungen (Safety-SPS) gewährleisten ein Höchstmaß an Schutz für Bediener und Maschinen, während Bewegungssteuerungen (Motion Control) für die präzise Steuerung von Antriebsachsen ausgelegt sind.

Programmierung einer SPS-Steuerung – Sprachen und Werkzeuge

Die Programmierung von SPS-Steuerungen ist der Prozess der Erstellung von Steuerungsalgorithmen, die definieren, wie die Steuerung agieren soll. Um dies zu erleichtern, wurden mehrere Standardsprachen entwickelt, und die Hersteller liefern dedizierte Software. Die Programmierung der SPS ist eine entscheidende Phase der Konfiguration und des späteren Betriebs des gesamten Systems (Produktionslinie, Maschine).

Standard-SPS-Programmiersprachen (IEC 61131-3)

Die internationale Norm IEC 61131-3 legt fünf grundlegende Programmiersprachen für SPS-Steuerungen fest. Dies sind: LD (Ladder Diagram – Kontaktplan), FBD (Function Block Diagram – Funktionsbausteinsprache), ST (Structured Text – Strukturierter Text), SFC (Sequential Function Chart – Ablaufsprache) sowie IL (Instruction List – Anweisungsliste). Die Wahl einer bestimmten Sprache hängt in der Regel von der Komplexität der Aufgabe und den persönlichen Präferenzen des Programmierers ab. Mehr zu den einzelnen Sprachen haben wir im Beitrag über die verschiedenen SPS-Programmiersprachen beschrieben.

Programmierwerkzeuge – Integrierte Entwicklungsumgebungen (IDE)

Zur Erstellung, zum Testen und zum Hochladen von Programmen in die SPS werden fortschrittliche integrierte Entwicklungsumgebungen (IDE) verwendet. Moderne Software dieser Art hat sich von einfachen Code-Editoren zu leistungsstarken Engineering-Plattformen entwickelt, die Hardwarekonfiguration, Logikprogrammierung, HMI-Design und sogar die Parametrierung von Antrieben integrieren.

Solche Umgebungen ermöglichen Ingenieuren:

• Das Schreiben von Code in einer der fünf Standardsprachen der Norm IEC 61131-3.
• Die Hardwarekonfiguration – Definieren der physikalischen Struktur der Steuerung, der Eingangs-/Ausgangsmodule und der Kommunikationskarten.
• Die Simulation des Programmablaufs (Offline) – eine entscheidende Phase, die es ermöglicht, die Logik des Algorithmus auf einer virtuellen Steuerung zu testen, noch bevor das physische Gerät angeschlossen wird, was das Fehlerrisiko bei der Inbetriebnahme erheblich reduziert.
• Debugging und Diagnose – Überwachung von Variablenzuständen in Echtzeit, Forcen von Zuständen (Forcing) sowie Analyse von CPU-Fehlern, in der Regel über schnelle Ethernet-Verbindungen (Industrial Ethernet) oder USB-Ports.

Die gängigsten Programmierplattformen auf dem Markt

Jeder der führenden SPS-Hersteller liefert eine eigene, dedizierte Software, die das Herzstück seines Ökosystems bildet. Im Folgenden führen wir die drei populärsten Umgebungen auf.

Siemens: TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal) Dies ist derzeit eine der umfassendsten und einflussreichsten Engineering-Umgebungen in der Industrie. Das TIA Portal integriert in einer Plattform Werkzeuge für die Programmierung von Steuerungen (SIMATIC Step 7 für die Serien S7-1200, S7-1500, S7-300/400), die Visualisierung (WinCC für HMI-Panels und SCADA-Systeme) sowie für Antriebe (Startdrive). Sein entscheidender Vorteil ist die gemeinsame Datenbank für alle Geräte im Projekt, was die mehrfache Eingabe derselben Variablen überflüssig macht und die Arbeit an komplexen Systemen erheblich beschleunigt.

Rockwell Automation (Allen-Bradley): Studio 5000 Logix Designer Diese Umgebung ist der Standard in Nordamerika und in vielen globalen Konzernen. Studio 5000 dient der Programmierung von Steuerungen der Logix-Familie (ControlLogix, CompactLogix). Sie zeichnet sich durch eine objektorientierte Ausrichtung aus, was die Erstellung von modularem, wiederverwendbarem Code erleichtert, sowie durch eine hervorragende Integration mit fortschrittlichen Antriebssteuerungssystemen (Motion Control).

CODESYS (Controller Development System) Im Gegensatz zu den oben genannten ist CODESYS nicht an einen einzelnen Hardwarehersteller gebunden. Es handelt sich um eine offene, unabhängige Umgebung, die von über 400 Herstellern von Automatisierungsgeräten weltweit genutzt wird (z. B. WAGO, Beckhoff, Schneider Electric in einigen Serien, Eaton). Für den Programmierer bedeutet dies, dass er durch das Erlernen eines einzigen Werkzeugs die Möglichkeit erhält, hunderte verschiedene Steuerungstypen zu programmieren.

Die beliebtesten Hersteller von SPS-Steuerungen

Der Markt wird von einigen Giganten dominiert, deren Lösungen die Entwicklungsrichtungen der modernen Automatisierung vorgeben.

Siemens (Serie Simatic)

Der deutsche Branchenriese und absolute Marktführer auf dem europäischen Markt. Die Steuerungen der Simatic S7-Familie (insbesondere die Modelle S7-1200 und S7-1500) sind Standard in vielen Industriezweigen. Die Programmierung der Siemens SPS-Steuerungen erfolgt in der leistungsstarken, integrierten Umgebung TIA Portal, die die Konfiguration nicht nur der Steuerung, sondern auch von HMI-Panels oder Antrieben ermöglicht.

Rockwell Automation (Allen-Bradley)

Das amerikanische Gegenstück zu Siemens, das die Märkte in Nordamerika dominiert. Ihre Flaggschiff-Serien ControlLogix und CompactLogix sind bekannt für ihre enorme Leistungsfähigkeit in sehr komplexen Prozesssystemen. Anwender schätzen sie für die intuitive Umgebung Studio 5000 und die hohe Zuverlässigkeit unter schwierigsten Bedingungen.

Mitsubishi Electric (Serie MELSEC)

Japanische Präzision und Zuverlässigkeit. Die Steuerungen von Mitsubishi sind in Serienmaschinen und in der asiatischen Industrie äußerst beliebt. Die Serie iQ-R oder die Kompaktsteuerungen der FX-Serie zeichnen sich durch ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis sowie sehr schnelle Verarbeitungszeiten logischer Operationen aus.

Schneider Electric (Modicon)

Es ist erwähnenswert, dass gerade die Marke Modicon die erste SPS-Steuerung entwickelt hat. Heute bietet Schneider Electric moderne Serien wie Modicon M221, M241 oder M251 an, die einen starken Fokus auf Netzwerkkommunikation (IIoT) und die einfache Integration in Energiemanagementsysteme legen.

Andere bedeutende Akteure

Der SPS-Markt umfasst auch viele andere spezialisierte Marken:

• Beckhoff – Pionier der PC-basierten Steuerung (PC-based Control) und des sehr schnellen EtherCAT-Protokolls.
• B&R (ABB Group) – geschätzt für fortschrittliche Antriebssteuerungen (Motion Control) und moderne Programmieransätze.
• Omron – ein japanischer Hersteller, der stark im Bereich Robotik und in die SPS integrierte Bildverarbeitungssysteme ist.

Geschichte der SPS-Steuerungen – von Relais bis zur fortgeschrittenen Automatisierung

Die Geschichte der SPS-Steuerungen ist eine faszinierende Erzählung über die Evolution im Bereich der Automatisierung. Ihre Entstehung war die Antwort auf den Bedarf an flexibleren und leichter zu modifizierenden Steuerungssystemen im Vergleich zu traditionellen Relaislösungen.

Genese von Relais zur programmierbaren Logik

Traditionelle Steuerungssysteme auf Basis von Relais waren starr und schwierig zu modifizieren. Eine Änderung der Funktionslogik erforderte das physische Umverdrahten von Leitungen. Die Notwendigkeit, etwas Flexibleres zu schaffen, führte zur Entwicklung von SPS-Steuerungen, die programmierbare Logik zur Steuerung der Maschinenarbeit nutzten.

Die SPS-Revolution und weitere Entwicklung

Die Einführung der ersten speicherprogrammierbaren Steuerungen auf dem Markt in den 1960er Jahren revolutionierte die Industrieautomatisierung. Seit dieser Zeit haben SPS-Steuerungen einen langen Evolutionsweg zurückgelegt und sind kleiner, schneller, intelligenter sowie mit fortschrittlichen Kommunikationsfunktionen ausgestattet worden.

Wichtige Statistiken und Fakten zu SPS-Steuerungen